材料結(jié)構(gòu)的基本知識

1、材料結(jié)構(gòu)的基本知識第1頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四 不同的材料具有不同的性能，同一材料經(jīng)過加工也會有不同的性能，這些都?xì)w結(jié)與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同。 結(jié)構(gòu)大致可分為四個層次：原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、材料中原子的排列以及晶體材料的顯微組織。概 述第2頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列可看成是原子核及分布在核周圍的電子組成。原子原子核中子和質(zhì)子組成，核的體積很小，集中了原子的絕大部分質(zhì)量。第3頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四電子繞著原子核在一定的軌道上旋轉(zhuǎn)質(zhì)量雖可忽略，但電子的分部卻是原子結(jié)構(gòu)中最重要

2、的問題，它不僅決定單個原子的行為，也對工程材料內(nèi)部原子的結(jié)合及某些性能起著決定性作用。第4頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四電子運(yùn)動的軌道： 由四個量子數(shù)決定，分別是主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)及自旋量子數(shù)。主量子數(shù)決定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低的主要參數(shù)。次量子數(shù)量子軌道并不一定總是球形的，次量子數(shù)反映了軌道的形狀，各軌道在原子核周圍的角度分布不同。它也影響軌道的能級，按s、p、d、f依次升高。第5頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四磁量子數(shù)確定了軌道的空間取向，以m表示。沒有外磁場時，處于同一亞殼層而空間取向不同的電子具有相同的能量，但在外加磁場下，不

3、同空間取向軌道的能量會略有所差別。自旋量子數(shù)ms=+1/2，1/2，表示在每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電子。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四主量子數(shù)殼層序號次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)磁量子數(shù)規(guī)第的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目各殼層總電子數(shù)12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=212）8（=222）18（=232）32（=242）第7頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四 原子核外電子的分部與四個量子數(shù)有關(guān)，且服從下述兩個基本原理：（1）泡利不相容原理 一個原子中不可能存在有四個量子

4、數(shù)完全相同的兩個電子。（2）最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四二、元素周期表及性能的周期性變化原子周期律早在1869年，俄國化學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了元素性質(zhì)是按原子相對質(zhì)量的增加而程周期性的變化。這正是由于原子核外電子的排列是隨原子序數(shù)的增加呈周期性變化。族周期表上豎的各列。同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。第9頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四總結(jié) 各個元素所表現(xiàn)的行為或性質(zhì)一定會呈現(xiàn)同樣的周期性變化，因為原子結(jié)構(gòu)從根本上決定了原子間的結(jié)合鍵，從而影響

5、元素的性質(zhì)。第10頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第二節(jié) 原子結(jié)合鍵鍵的形成在凝聚狀態(tài)下，原子間距離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力，使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。鍵分為一次鍵和二次鍵：一次鍵結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。二次鍵結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。第11頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四一、一次鍵離子鍵當(dāng)兩類原子結(jié)合時，金屬原子的外層電子很可能轉(zhuǎn)移到非金屬原子外殼層上，使兩者都得到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，從而降低體系的能量，此時金屬原子和非金屬原子分別形成正離子和負(fù)離子，正負(fù)離子間相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵。（如Na

6、Cl）第12頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第13頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四共價鍵價電子數(shù)為4或5個的A、A族元素，離子化比較困難，在這種情況下，相鄰原子間可以共同組成一個新的電子軌道，由兩個原子中各有一個電子共用，利用共享電子對來達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。這就是共價鍵。金屬鍵金屬原子很容易失去外殼層電子而具有穩(wěn)定的電子殼層，形成帶正電的陽離子，由正離子和自由電子之間第14頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四的相互吸引而結(jié)合起來的稱金屬鍵。二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵 當(dāng)原子和分子相互靠近時，一個原子的偶極矩將會影響另一個原子的

7、電子分布，電子密度在靠近第一個原子的正電荷處更高些，這樣使兩個原子相互靜電吸引，體系就處于較低的能量狀態(tài)。第15頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四極化分子間的作用力正電中心負(fù)電中心原子核電子云a)原子核電子云+b)c)a)理論的電子云分布 b)原子偶極矩的產(chǎn)生 c)原子（或分子）間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合第16頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四2、氫鍵 氫鍵的本質(zhì)與范德瓦耳斯鍵一樣，只是氫原子起了關(guān)鍵作用。氫原子只有一個電子，當(dāng)氫原子與一個電負(fù)性很強(qiáng)的原子X結(jié)合成分子時，氫原子的一個電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上；分子的氫離子側(cè)實質(zhì)上是一個裸露的質(zhì)子，對另個電負(fù)性

8、較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，這樣，氫原子便在兩個電第17頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四負(fù)性很強(qiáng)的原子之間形成一個橋梁，把兩者結(jié)合起來，形成氫鍵。所以氫鍵可表達(dá)為： XHY三、混合鍵 實際材料中單一結(jié)合鍵并不多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。例如：（1）A族的Si、Ge、Sn元素的結(jié)合第18頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四是共價鍵與金屬鍵的混合。（2）陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵與共價鍵混合的情況。四、結(jié)合鍵的本質(zhì)與原子間距 固體原子中存在兩種力：吸引力和排斥力。它們隨原子間距的增大而減小。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近

9、至電子軌道互相重第19頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四疊時斥力才明顯增大，并超過了吸引力。在某一距離下引力和斥力相等，這一距離r0相當(dāng)于原子的平衡距離，稱原子間距。 力（F）核能量（E）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系： F= E= Fd dEd0第20頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第21頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四五、結(jié)合鍵與性能1、物理性能（1）熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。共價鍵、離子鍵化合物的熔點很高這是陶瓷材料比金屬材料具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。二次鍵結(jié)合的材料熔點一定偏低，如聚合物等。（2）材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)

10、。金屬有高的密度，陶瓷材料的密度很低。第22頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四聚合物由于其是二次鍵結(jié)合密度最低。 （3）金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合色陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電。2、力學(xué)性能 結(jié)合鍵是影響彈性模量的主要因素。結(jié)合鍵能越大，彈性模量越大，材料的強(qiáng)度越大。第23頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第三節(jié) 原子排列方式一、晶體與非晶體 晶體中原子的排列是有序的，即原子按某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重復(fù)排列。而非晶體內(nèi)部原子的排列是無序的。這種排列上的差異造成性能上的不同：各向異性晶體由于其空間不同方向上

11、的原子排列不同，沿著不同方向上所第24頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四測得的性能數(shù)據(jù)亦不同這種性質(zhì)稱晶體的各向異性。各向同性非晶體在各個方向上的原子排列可視為相同，沿任何方向測得的性能是一致的，表現(xiàn)為各向同性。 從液態(tài)到非晶態(tài)固體是一個漸變過程，既無確定的熔點，又無體積的突變。這說明非晶態(tài)轉(zhuǎn)變只不過是液態(tài)的簡單冷卻過程，隨溫度的下降，液態(tài)的粘度第25頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四越來越高，當(dāng)其流動性完全消失時則稱固相。 液體向晶體的轉(zhuǎn)變還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有序排列的小晶核及晶核的逐漸生長實現(xiàn)的。第26頁，共37

12、頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第四節(jié) 晶體材料的組織材料的組織指各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。一、組織的顯示與觀察宏觀組織粗大的組織用肉眼即能觀察到。顯微組織用金相顯微鏡或電子顯微鏡觀察到的組織。第27頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四二、單相組織具有單一相的組織，即所有晶粒的組成相同，晶粒結(jié)構(gòu)也相同。溶液中各處的成分與結(jié)構(gòu)相同，是單一的相，在固體狀態(tài)時稱為固溶體。單相組織固溶體第28頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四 描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸與形狀。（1）晶粒尺寸對材料性能有重要影響，細(xì)

13、化晶?？商岣卟牧系膹?qiáng)度，還改善材料的塑性和韌性。（2）晶粒的形狀取決于各個核心的生長條件。等軸晶：若每個核心在各個方向上的生長條件接近，最終得到的晶粒在空第29頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四間三維方向上尺度相當(dāng)。柱狀晶：若在特定的條件下，空間某一方向的生長條件明顯優(yōu)于其它二維方向，最終得到拉長的晶粒形狀。（圖1-16）三、多相組織 （圖1-17）是兩相合金的一種典型組織，兩個相的晶粒尺度相當(dāng)，第30頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第31頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻的交替分布，此時合金的

14、力學(xué)性能取決于兩個相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。以強(qiáng)度為例，材料的強(qiáng)度應(yīng)等于： =11+221、2為兩個相的強(qiáng)度值；1、2為兩個相的體積分?jǐn)?shù)。第32頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四彌散強(qiáng)化組織中兩個相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較細(xì)的相以球狀、點狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相的基體內(nèi)（圖1-17b）。大幅度地提高材料的強(qiáng)度。 第二相在基體相的晶界上分布是一種常見的組織特征（圖1-17c）。第33頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四第五節(jié) 材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)同一材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量相對較高的結(jié)構(gòu)則稱亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)第34頁，共37頁，2022年，5月20日，4點34分，星期四 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件：結(jié)構(gòu)形成時必須沿著能量降低的方向進(jìn)行。 熱力學(xué)第二定律對這種自發(fā)過程的敘述為：只有那些使體系自由能A減小的過程才能自發(fā)進(jìn)行，可表示為： 等溫等容 A T、V0 自發(fā)過程 等溫等壓 G T、P0 自發(fā)過程兩種自由能的表達(dá)式為： A=UT